68% de part solaire dans le bilan énergétique annuel du Micromaison de Singen

Projet de recherche fournit des résultats de mesure fiables

Le projet de recherche "IR-Bau 2 - Enquêtes supplémentaires sur le potentiel des systèmes de chauffage infrarouge" par l'Université des Sciences Appliquées de Constance (HTWG Konstanz) a utilisé des équipements de mesure pour étudier une micromaison à Singen pendant deux saisons de chauffage. Le projet était dirigé par le Prof. Dr.-Ing. Thomas Stark, Dr.-Ing. Jan Heider, Nicole Conrad et Niklas Bachmann; il s'est déroulé de 11/2020 à 04/2023.

Les mesures confirment l'approche de conception établie de my-PV : Dans des bâtiments appropriés avec un système PV de taille suffisante, un chauffage direct contrôlé en continu peut être combiné avec un réservoir d'eau chaude domestique contrôlé dans une solution techniquement solide et économique.

La tiny house de 50 m²

Le bâtiment résidentiel "Mikrohaus" à Singen a été conçu en 2020 par Kupprion nachhaltige Architektur et construit sur un petit site de densification pour augmenter la densité urbaine. Le cuboïde à un étage a environ 50 m² de surface de plancher et trois pièces, offrant de l'espace pour jusqu'à deux occupants ; il est actuellement occupé par un locataire. Le bâtiment à ossature en bois est isolé avec de la fibre de bois et comporte un plafond en bois massif qui reste visible à l'intérieur.

À l'intérieur, la micromaison est divisée en trois zones : un espace de vie central et des pièces privées avec une chambre et une salle de bain disposées sur les côtés. La façade sud est largement vitrée, tandis que les autres surfaces murales extérieures sont presque entièrement fermées.

Une pompe à chaleur a été initialement envisagée pour l'approvisionnement en chaleur. Cependant, pour ce petit bâtiment et sa faible demande en chaleur attendue, le coût d'investissement d'un système de pompe à chaleur était comparativement élevé. À la place, le bâtiment utilise un système de chauffage électrique direct optimisé pour l'autoconsommation.

Quatre composants de l'approvisionnement en chaleur solaire-électrique

Le système se compose de quatre composants :

• Un système de chauffage par le sol électrique DEVI / Danfoss de 4.3 kW avec deux circuits de chauffage, intégré directement dans la dalle de béton de 22 cm du bâtiment - en d'autres termes, l'activation thermique de la structure du bâtiment.

• Un chauffe-eau électrique plat de 120 l de Austria Email.

• Un système PV de 8.6 kWc avec une orientation est-ouest et une inclinaison de 5°, partiellement ombragé par des arbres sur la propriété voisine.

• Le my-PV AC•THOR 9s connecte les charges et la génération et maximise l'autoconsommation de l'énergie solaire.

Deux saisons de chauffage surveillées avec des résultats concluants

La micromaison a été instrumentée et surveillée en détail sur deux saisons de chauffage. Les résultats confirment que, dans des bâtiments appropriés avec un système PV de taille suffisante, un chauffage direct solaire-électrique contrôlé en continu peut être combiné avec un réservoir d'eau chaude contrôlé en continu dans un système techniquement solide et économique - tout en atteignant de hauts pourcentages solaires.

La consommation d'énergie spécifique pour le chauffage des locaux durant l'année examinée était de 37 kWh/m²a, équivalant à une consommation annuelle de 1,834 kWh. Le bâtiment a un très haut niveau d'isolation. Néanmoins, le rapport surface-volume, qui est défavorable pour les petits bâtiments, et un système de ventilation sans récupération de chaleur augmentent notablement la demande d'énergie.

Eau chaude : pertes de stockage en tant que partie du déplacement de charge

La consommation d'électricité pour la production d'eau chaude domestique était de 694 kWh par an, soit environ 14 kWh/m²a. C'est relativement élevé pour un ménage d'une seule personne. La raison principale est les pertes de stockage du réservoir de 120 l. À 1.48 kWh par 24 heures, elles s'additionnent jusqu'à 537 kWh par an - environ 77% de l'électricité utilisée pour l'eau chaude.

Ces pertes sont une conséquence directe de la stratégie de contrôle sélectionnée : Lorsqu'un surplus de puissance PV est disponible, le bâtiment (dalle de béton) et le réservoir d'eau chaude domestique sont délibérément chauffés au-delà de leurs températures cibles normales. Cela crée une capacité de stockage thermique et déplace la consommation d'électricité vers des périodes de haute génération solaire. Les pertes de stockage font donc partie du déplacement de charge prévu.

La saison de chauffage domine le bilan énergétique annuel

Environ 91% de la demande de chauffage des locaux se produit pendant la saison de chauffage d'octobre à avril. Décembre et janvier ont un impact particulièrement fort, représentant ensemble environ 41% de la demande de chauffage des locaux annuelle. Ces deux mois déterminent donc largement le bilan énergétique annuel - tant pour la consommation que pour la part solaire.

Autonomie énergétique triple sur un bilan annuel

Un système photovoltaïque de 8.6 kWc est installé. Malgré un ombrage partiel et une génération inhabituellement basse en décembre - causée par une couverture neigeuse prolongée et du brouillard autour du lac de Constance - la génération annuelle a atteint 8,118 kWh. Cela correspond à un rendement spécifique de 990 kWh/kWc.

Environ 36% de la génération se produit sur l'ensemble de la saison de chauffage, tandis que décembre et janvier ne représentent qu'environ 3%. Sur un bilan annuel, le système PV a donc généré plus de trois fois l'électricité requise pour l'approvisionnement en chaleur :

• Génération PV : 8,118 kWh/a

• Demande d'électricité pour le chauffage des locaux et l'eau chaude : 2,529 kWh/a

• Environ 21% de l'énergie solaire a été directement utilisée pour répondre à la demande de chaleur.

Part solaire : moyenne annuelle de 68%

L'indicateur de performance clé du projet est la part solaire :

• 68% de part solaire pour la production totale de chaleur (bilan annuel)

• 61% de part solaire pour le chauffage des locaux

Pendant les saisons intermédiaires, la demande de chaleur peut être presque entièrement couverte par l'énergie solaire. Selon le rendement PV, c'est là que la stratégie de contrôle délivre tout son effet.

En décembre et janvier, la faible disponibilité solaire naturellement devient plus prononcée. Cette limitation inhérente du système affecte toute forme d'approvisionnement en chaleur à base solaire.

Facteur de performance annuel de 3.16 avec les photovoltaïques

L'évaluation des fractions solaires et des importations du réseau aboutit à un facteur de performance annuelle calculé de 3,16 pour l'eau chaude et le chauffage avec des photovoltaïques.

Par rapport à l'électricité du réseau utilisée, plus de trois fois plus de chaleur est fournie. La consommation d'électricité du réseau est comparable à celle d'une pompe à chaleur air-eau - mais à un niveau d'investissement nettement différent.

Scientifiquement confirmé : le chauffage PV est prêt pour l'avenir

Le projet de recherche "IR-Bau 2" montre que le chauffage photovoltaïque peut jouer un rôle majeur dans l'approvisionnement en chaleur de bâtiments adaptés. Cette forme d'approvisionnement en chaleur est également déjà établie dans la législation : la Loi sur l'énergie des bâtiments (GEG) en Allemagne reconnaît le chauffage direct contrôlé par PV comme une option de conformité en vertu de l'article 71d.

Les données de mesure disponibles démontrent que la technologie fonctionne et peut être mise en œuvre de manière économique. Une ouverture réglementaire similaire serait également souhaitable dans d'autres pays-

Le rapport final complet du projet de recherche est disponible à :
https://www.htwg-konstanz.de/fileadmin/pub/ou/energie/Forschung/IR-Bau_2/Abschlussbericht_Forschungsprojekt_IR-Bau_2.pdf